环境化学第五章污染物的生物富集、放大和积累

一、生物富集1、概念：指生物通过非吞食方式，从周围环境（水、土壤、大气）蓄积某种元素或难降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现象。bioconcentration第一页第二页，共112页。2、生物浓缩系数（BiologicalConcentrationFactoar）达稳态时：BCF=Cb/CeCb——某种元素或难降解物质在机体中的浓度Ce——某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度物质性质（降解性、脂溶性和水溶性）、生物特征（生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段）和环境条件（温度、盐度、水硬度、氧含量和光照情况）都会影响BCF值大小。bioconcentration一般＞1蚯蚓富集＜1农作物＜1第二页第三页，共112页。3、生物富集的动力学描述：dCf/dt=kaCw-keCf-kgCfka、ke、kg——水生生物吸收、消除（排泄和生物体内分解）、生长的速率常数Cw、Cf——水及生物体内瞬时物质浓度当水生生物质量增长不明显时，kg可忽略；Cw又通常可视为恒定，又设t=0时，Cf(0)=0，则可解方程得：Cf=kaCw/ke·[1-exp(-ke)t]当t→∞时，BCF=ka/ke

（达稳态，吸收、消化速率符合一级动学）bioconcentration第三页第四页，共112页。4、BCF与Kow的关系复杂过程：动力学，热力学lgBCF=algKow+b适用于水生生物，对陆生植物不适用。bioconcentration第四页第五页，共112页。二、生物放大1、概念

指在同一食物链上的高营养级生物，通过吞食低营养级生物蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内的浓度随营养级数提高而增大的现象。biomagnification第五页第六页，共112页。2、生物放大并不是在所有条件下都能发生。据文献报道，有些物质只能沿食物链传递，不能沿食物链放大；有些物质既不能沿食物链传递也不能沿食物链放大。biomagnificationalgae→zooplankton→smallfish→bigfishbirdmankindKow为105~107才易发生第六页第七页，共112页。三、生物积累1、概念指生物从周围环境（水、土壤、大气）和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其在有机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。生物放大和生物富集是生物积累的一种情况。bioaccumulation第七页第八页，共112页。2、微分速率方程式中：cw——生物生存水中某物质浓度；ci——食物链i级生物中该物质的浓度；Wi，i-1——摄食率；

αi，i-1——同化率；kai——i级生物对该物质的吸收速率常数；kei——i级生物中该物质的消除速率常数；kgi——i级生物的生长速率常数。bioaccumulation第八页第九页，共112页。2、微分速率方程bioaccumulation当生物积累达到平衡时dci/dt=0,上式变换为：右式反应相应的生物积累和生物放大在生物积累达到平衡时贡献的大小。从水中积累污染物量从食物中积累污染物量第九页第十页，共112页。第四节污染物质的生物转化物质在生物作用下经受的化学转化，称为生物转化或代谢。三大转化类型：生物转化化学转化光化学转化微生物作用：自然界自净废水处理污染场址修复生物转化、化学转化和光化学转化构成了污染物质在环境中的三大主要转化类型。第十页第十一页，共112页。一、生物转化中的酶（大多数生物转化是在酶的参与和控制下进行的）1、几个概念a、酶：一种由细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。b、底物（或基质）：在酶催化下发生转化的物质。c、酶促反应：底物在酶催化下发生的转化反应。第十一页第十二页，共112页。2、酶催化作用的特点：a、催化专一性高。一种酶只能对一种底物或一类底物起催化作用，生成一定的代谢产物。b、酶催化效率高。一般酶催化反应的速率比化学催化剂高107～1013倍。c、酶催化需要温和的外界条件，如常温、常压、接近中性的酸碱度。第十二页第十三页，共112页。3、酶的分类a、根据作用场所胞内酶胞外酶b、根据催化反应类型氧化还原酶转移酶水解酶裂解酶异构酶合成酶c、根据成分单成分酶双成分酶单成分酶：只含有蛋白质双成分酶：酶蛋白和辅酶或辅基。辅基同酶蛋白结合比较牢固，辅酶与酶蛋白结合较为松散。二者区别仅在此，故以后均用辅酶称呼。辅酶起着传递电子、原子或某些化学集团的功能，酶蛋白起着决定催化专一性和催化高效率的功能。因此，只有双成分酶的整体才具有酶的催化活性。第十三页第十四页，共112页。1、FMN和FAD一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢原子的功能。二、若干重要辅酶的功能FMN（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）F：黄素flavinM：单monolN：核苷酸nucleotideA：膘嘌呤adenineD：二(核苷酸)di第十四页第十五页，共112页。1、FMN和FAD一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢原子的功能。二、若干重要辅酶的功能FMN/FAD（氧化型FMN/FAD）FMNH2/FADH2（还原型FMN/FAD）R——FMN/FAD的其余部分第十五页第十六页，共112页。2、NAD＋和NADP＋(又分别称为辅酶Ⅰ辅酶Ⅱ)某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢的作用。NAD+（烟酰胺膘嘌呤二核苷酸）NADP+（烟酰胺膘嘌呤二核苷酸）磷酸NAD/NADP＋（氧化型NAD/NADP＋）NADH/NADPH（还原型NAD/NADP＋）R——NAD/NADP的其余部分二、若干重要辅酶的功能nicotinamideadeninedinucleotidephosphate第十六页第十七页，共112页。3、辅酶Q（又称泛醌）是某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传递氢的作用。CoQ（氧化型CoQ）（n=6~10）CoQH2（还原型CoQ）二、若干重要辅酶的功能第十七页第十八页，共112页。4、细胞色素酶系的辅酶细胞色素酶系是催化底物氧化的一类酶系，主要有细胞色素b、c1、c、a、a3等几种。它们的酶蛋白部分不同，但辅酶都是铁卟啉。起到传递电子的作用。cytnFe3+cytnFe2+cyt——细胞色素酶系n——b、c1、c、a、a3+e-e二、若干重要辅酶的功能第十八页第十九页，共112页。5、辅酶A（简写为CoASH）转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫酯，而在酶促反应中起着传递酰基的功能。反应式如下：CoASH+CH3CO+CH3CO-SCoA+H+二、若干重要辅酶的功能腺核苷3'－磷酸焦磷酸泛酸氨基乙硫醇辅酶A（CoASH）第十九页第二十页，共112页。三、生物氧化中的氢传递过程生物氧化指有机质在机体细胞内的氧化，并伴随能量的释放。一般多为去氢氧化。所脱落的氢（H++e）以原子或电子的形式，由相应的氧化还原酶按一定顺序传递至受氢体。这一氢原子或电子的传递过程称为氢传递或电子传递过程，其受体称为受氢体或电子受体。受氢体如果为细胞内的分子氧就是有氧氧化；若为非分子氧的化合物则是无氧氧化。第二十页第二十一页，共112页。

1、有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程SH2（有机底物）S（被氧化的有机底物）2H＋2e2Cu2＋2Cu＋2e1/2O2O2-H2O分子氧作为直接受氢体的氢传递过程举例氧化酶第二十一页第二十二页，共112页。2、有氧氧化中分子氧为间接受体的递氢过程SH2（有机底物）S被氧化的有机底物NAD＋2H脱氢酶NADH＋H＋2HFMNH2FMN脱氢酶2HCoQCoQH22e2H+2Fe3+2Fe2+细胞色素酶系b→c1→c→a→a32e1/2O2O2-H2O分子氧作为间接受氢体的氢传递过程举例第二十二页第二十三页，共112页。3、无氧氧化中有机底物转化中间产物受氢体的递氢过程第二十三页第二十四页，共112页。4.无氧氧化中某些无机含氧化合物做受氢体的递氢过程10[H]+2NO3-+2H+N2+6H2O24[H]+3H2SO43H2S+12H2O8[H]+CO2CH4+2H2O兼性厌氧反硝化菌兼性厌氧硫酸还原菌厌氧甲烷菌最常见的受氢体：硝酸根、硫酸根和二氧化碳第二十四页第二十五页，共112页。四、耗氧有机污染物质的微生物降解

有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变成更小更简单的分子，该过程称为有机物质的生物降解，如果有机物质降解成二氧化碳、水等简单无机化合物，则为彻底降解，称作矿化；否则为不彻底降解。第二十五页第二十六页，共112页。多糖二糖单糖细胞外水解酶细胞内水解酶1、糖类的微生物降解

糖类Cx(H2O)yB、单糖酵解成丙酮酸C6H12O6+2NAD＋→2CH3COCOOH+2NADH+2H+

C、丙酮酸的转化有氧条件无氧条件A、多糖水解成单糖第二十六页第二十七页，共112页。C、丙酮酸的转化：有氧条件丙酮酸通过酶促反应转化成乙酰辅酶A。乙酰辅酶A与草酰乙酸反应转化成柠檬酸。柠檬酸通过一系列转化最后生成草酰乙酸，接着进行新一轮的转化。这种生物转化的途径称为TCA循环。第二十七页第二十八页，共112页。草酰乙酸柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸草酰琥珀酸苹果酸延胡索酸琥珀酸α－酮戍二酸第二十八页第二十九页，共112页。CH3COCOOH+2[H]CH3CH(OH)COOH(乳酸)CH3COCOOHCO2+CH3CHOCH3CHO+2[H]CH3CH2OHCH3COCOOH+2[H]CO2+CH3CH2OH厌氧乳酸菌C、丙酮酸的转化：无氧条件第二十九页第三十页，共112页。2、脂肪的生物降解

A、脂肪水解成脂肪酸和甘油B、甘油的转化CH2OOCR1CHOOCR2CH2OOCR3+3H2OCH2OHCHOHCH2OHR1COOH

+R2COOH

R3COOHCH2OHCHOHCH2OHCH3COCOOH+4[H]第三十页第三十一页，共112页。2、脂肪的生物降解

C、脂肪酸的转化有氧时，饱和脂肪酸经过酶促β-氧化途径变成酯酰辅酶A和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A进入TCA循环，而酯酰辅酶A又经β－氧化途径进行转化。RCH2CH2COOHRCH2CH2COSCoACoASHH2OFADFADH2RCH=CHCOSCoAH2ORCH(OH)CH2COSCoANAD＋

NADH+H＋RC(O)CH2COSCoACoASHCH2COSCoA+RCOSCoA饱和脂肪酸β-氧化途径简要图示第三十一页第三十二页，共112页。3、蛋白质的微生物降解A、蛋白质水解成氨基酸B、氨基酸脱氨脱羧成脂肪酸第三十二页第三十三页，共112页。4、甲烷发酵在无氧氧化条件下，糖类、脂肪和蛋白质在产酸菌的作用下降解成简单的有机酸、醇等。这些有机化合物在产氢菌和产乙酸菌作用下，可转化为乙酸、甲酸、氢气和二氧化碳，进而经产甲烷菌作用产生甲烷。这一总过程称为甲烷发酵。在甲烷发酵中糖类的降解率和降解速率最高，脂肪次之，蛋白质最低。产生甲烷的主要途径：CH3COOH→CH4+CO2CO2+4H2→CH4+2H2O第三十三页第三十四页，共112页。甲烷发酵需要满足产酸菌、产氢菌、产乙酸菌和产甲烷菌等各种菌种所需的生活条件，它只能在适宜环境条件下进行。产甲烷菌是专一厌氧菌，因此甲烷发酵必须处于无氧条件下。甲烷菌生长要求：弱碱性环境；一般pH为7－8；适宜碳氮比为30左右。第三十四页第三十五页，共112页。五、有毒有机污染

物质生物转化类型生物转化的结果，一方面往往使有机毒物水溶性和极性增加易于排出体外；另一方面也会改变有机毒物的毒性，多数是毒性减小，少数毒性反而增大。氧化还原水解结合第一阶段反应第二阶段反应第三十五页第三十六页，共112页。P450(Fe3+)|SS(底物)P450(Fe3+)S－O(氧化型底物)P450(Fe3+)|S－OP450(Fe2+)P450(Fe2+)|See2H+H2OO2O2S

1、氧化反应类型

A、混合功能氧化酶加氧氧化混合功能氧化酶又称单加氧酶，功能是利用细胞内的分子氧，将其中的一个氧原子与有机底物结合，使之氧化，而使另一个氧原子与氢原子结合成水。在该过程中，细胞色素P450酶起着关键作用。活性部位是铁卟啉的Fe，它在二与三价态间进行变换。一个电子来自P450(Fe3+)一个电子来自NADPH＋H＋第三十六页第三十七页，共112页。混合功能氧化酶的专一性较差，能催化很多底物

碳双键环氧化艾氏剂狄氏剂第三十七页第三十八页，共112页。碳羟基化CH3(CH2)nCH3+O→CH3(CH2)nCH2OHCH2(CH2)nCH3+OCH2(CH2)nCH2OH+OOOH重排HCl+OHOCl第三十八页第三十九页，共112页。O||R1-S-R2+O→R1-S-R2→R1-S-R2||＋O||OO硫脱烃、硫－氧化及脱硫R-S-CH3+O→R-SH+HCHOS-CH3+O→SH3+HCHO6-甲巯基嘌呤6-巯基嘌呤C2H5OC2H5OP－O－－NO2+O→||C2H5OC2H5OP－O－－NO2

||OS对硫磷对氧磷第三十九页第四十页，共112页。氧脱氢R－O－CH3+O→ROH+HCHO氮脱烃、氮－氧化及脱氮RNH－CH3+O→RNH2+HCHON－CH2R3+O→NH+R3CHOR1R2R1R2第四十页第四十一页，共112页。－NR1R2－N＋O－R1R2+O→－NH－R+O→－N－ROHR1R1

CH－NH2+2O

→C=NOH+H2OR2R2R1R1

CH－NH2+O

→C=O+NH3R2R2RCH2NH2+O→RCHO+NH3第四十一页第四十二页，共112页。B、脱氢酶脱氢氧化脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移，以非分子氧化合物为受体的酶类。脱氢酶能使相应的底物脱氢氧化。醇氧化成醛RCH2OH→RCHO+2H醇氧化成酮R1CH(OH)R2→R1COR2+2H醛氧化成羧酸RCHO＋H2O→RCOOH＋2H第四十二页第四十三页，共112页。C、氧化酶氧化氧化酶是伴随有氢原子或电子转移，以分子氧为直接受氢体的酶类。氧化酶能使相应的底物氧化。RCH2NH2＋H2O→RCHO＋NH3＋2H第四十三页第四十四页，共112页。2、还原反应类型A、可逆脱氢酶加氢还原：可逆脱氢酶是指起逆相作用的脱氢酶类，能使相应的底物加氢还原。R1R1

C＝O

+2H

→CHOHR2R2B、硝基还原酶还原：硝基还原酶能使硝基化合物还原，生成相应的胺。－NO22H－H2O－NO2H－NH－OH2H－H2O－NH2第四十四页第四十五页，共112页。2、还原反应类型C、偶氮还原酶还原：偶氮还原酶能使偶氮化合物还原，生成相应的胺。（增毒反应）－N＝N－HH－N－N－2H－NH22HD、还原脱氯酶还原：还原脱氯酶能使含氯化合物脱氯（用氢置换氯）或脱氯化氢而被还原。脱氯脱氯化氢＋H－Cl－HCl第四十五页第四十六页，共112页。3.水解反应类型A、羧酸酯酶使酯水解RCOOR'+H2O→RCOOH+R'OHB、磷脂酯酶使磷脂水解C、酰胺酶使酰胺水解第四十六页第四十七页，共112页。4结合反应A、葡萄糖醛酸结合：在葡萄糖醛酸转移酶的作用下，在生物体内尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖醛酸中，葡萄糖醛酸基可转移至含羟基的化合物上，形成O－葡萄糖苷酸结合物。所涉及的羟基化合物有醇、酚、烯醇、羟酰胺、羟胺等。芳香及脂肪酸中羧基上的羟基，也可与葡萄糖醛酸结合成O－葡萄糖苷酸。填空：结合反应的三个重要类型第四十七页第四十八页，共112页。UDPGA－尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖醛酸Uridinenucleotidediphosphateglucuronicacid对氯苯酚葡萄糖苷酸UDP－尿嘧啶核苷二磷酸第四十八页第四十九页，共112页。N－羟基乙酸氨基芴N－羟基乙酸氨基芴葡萄糖苷酸此外，伯胺、酰胺、磺胺等中的氮原子和大部分含巯基化合物中硫原子，也都能与葡萄糖醛酸分别形成N－和S－葡萄糖苷酸结合物，如下所示：苯胺葡萄糖苷酸2－巯基噻唑－S－葡萄糖苷酸第四十九页第五十页，共112页。该结合反应在生物中很常见，也很重要。由于葡萄糖醛酸具有羟基（pKa=3.2）及多个羟基，所以结合物呈现高度的水溶性，而有利于自体内排出。葡萄糖苷酸结合物的生成，可避免许多有机毒物对RNA、DNA等生物大分子的损伤，而起到解毒作用。但也有少数结合物的毒性比原有机物质更强。如与2－巯基噻唑相比，其葡萄糖苷酸结合物的致癌性更强。第五十页第五十一页，共112页。B、硫酸结合在硫酸基转移酶的催化下，可将磷酸磷硫酸腺苷中硫酸基转移到酚或醇的羟基上，形成硫酸酯结合物。也可结合到氮原子上。大多数极性增加，有利于排出体外，但是一些硫酸的加合产物具有致癌性。第五十一页第五十二页，共112页。PAPS－3'－磷酸－5'－磷硫酸腺苷对硝基苯基硫酸脂PAP－3'－磷酸－5'－磷酸腺苷第五十二页第五十三页，共112页。C、谷胱甘肽结合在相应转移酶催化下谷胱甘肽中的半胱氨酸及乙酰辅酶A的乙酰基，将以N－乙酰半胱氨酸基形成加到有机卤化物（氟除外）、环氧化合物、强酸酯、芳香烃、烯等亲电化合物的碳原子上，形成巯基尿酸结合物。亲电子化合物如果与细胞蛋白或核酸上亲核基团结合，常可引起细胞坏死、肿瘤、血液功能紊乱和过敏现象。谷胱甘肽的结合，有力地解除了对机体有害亲电化合物地毒性。第五十三页第五十四页，共112页。谷胱甘肽结合反应C4H9Br+HOOC-CH-CH2-CH2-C-NH-CH-C-NH-CH2-COOH

NH2O

HS-CH2OHBr谷胱甘肽S－转移酶GSH——谷胱甘肽

HOOC-CH-CH2-CH2-C-NH-CH-C-NH-CH2-COOH

NH2OCH2OS-C4H9酶H2OHOOC-(CH2)2-CHCOOHNH2谷氨酸NH2-CH-C-NH-CH2-COOHCH2OS-C4H9H2ONH2-CH2COOH甘氨酸C4H9-S-CH2-CH-COOHNH2CH3COSCoACoASHC4H9-S-CH2-CH-COOHNHCOCH3S－(丁基)巯基脲酸写出反应全过程第五十四页第五十五页，共112页。

六、有毒有机污染物质的微生物降解第五十五页第五十六页，共112页。1、烃类碳原子数>1的正烷烃：通过烷烃的末端氧化，或次末端氧化，或双端氧化，逐步生成醇、醛及脂肪酸，而后经β-氧化进入TCA循环，最终降解成二氧化碳和水。

水化酶脱氢酶H2OCH3(CH2)nCH2CH(OH)2NADH+H+NAD+CH3(CH2)nCH2COOH脂肪酸β－氧化TCA循环CH3(CH2)nCH2CH3CH3(CH2)nCH2CH2OHO2H2ONADH+H+NAD+加氧酶NADH+H+NAD+脱氢酶CH3(CH2)nCH2CHOCO2+H2O甲烷：CH4→CH3OH→

HCHO→

HCOOH→

CO2+H2O烷烃末端氧化降解过程第五十六页第五十七页，共112页。烯烃：①烯的饱和末端氧化、再经与正烷烃相同的途径成为不饱和脂肪酸；②或者是烯的不饱和末端双键环氧化成为环氧化合物，再经开环形成二醇致饱和脂肪酸。然后，脂肪酸通过β-氧化进入TCA循环，降解成二氧化碳及水。水化酶O加氧酶CH3(CH2)nCH=CH2HOCH2(CH2)nCH=CH2CH3(CH2)nCH-CHOO加氧酶H2OCH3(CH2)nCH-CH2

OHOH4HCH3(CH2)nCH2COOH系列酶促反应H2OHOOC(CH2)nCH=CH2脂肪酸β－氧化TCA循环CO2+H2O烯烃微生物降解途径第五十七页第五十八页，共112页。苯的微生物降解O单加氧酶OHH2HH2OOHOHO2双加氧酶COOHCOOHCOOHO-C=OCOOHC=OOH2Oβ-氧化CoASHCOOHCOOHO儿茶酚顺－顺粘康酸粘康酸内脂β－酮己二酸烯醇内酯β－酮己二酸CH3COSCoA+HOOC(CH2)2COOHTCA循环CO2+H2O乙酰辅酶A琥珀酸多环芳烃的微生物降解与上类似降解顺序：烯烃>烷烃>苯环>多环芳烃第五十八页第五十九页，共112页。2.农药苯氧乙酸是一大类除草剂。其中2，4－D乙酯微生物降解的基本途径如下：+H2O水解酶酶酶+3/2O2,-CO2,-H2O脱氯酶双加氧酶酶第五十九页第六十页，共112页。有机磷杀虫剂对硫磷的可能途径P268图所示。氧化（Ⅰ），表现为硫代磷酸酯的脱硫氧化；水解（Ⅱ），即相应酯键断裂形成对硝基苯酚、乙基硫酮磷酸酯酸、乙基磷酸酯酸、磷酸以及乙醇；还原（III），包括硝基变为氨基，对硝基苯酚变为氨基苯酚。R1R2OP－R3R2SP－R3R1SP－R3R1R2SP－OHR1R2SP－OHHOR2SP－OHHOHO++－NO2－NH2第六十页第六十一页，共112页。

S(C2H5O)2P-OHS(C2H5O)2P-ONH2IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

S(C2H5O)2P-ONO2HONO2HONH2O(C2H5O)2P-ONO2O(C2H5O)2P-OIIINO2

O(C2H5O)2P-OH

OC2H5O-P-OHOHH3PO4C2H5OHSC2H5O-P-O

OHNO2

SC2H5O-P-OH

OH

SHO-P-OH

OHH3PO4

OHO-P-OH

OHOC2H5O-P-OH

OHC2H5OH

S(C2H5O)2P-OH

O(C2H5O)2P-OH对硫磷对氧磷I氧化II水解III还原对硫磷的生物降解第六十一页第六十二页，共112页。I(b)I(b)I(b)I(a)I(a)I(a)IIIIOO三氯杀螨醇DDTDDEDDDDDMUDDNUDDMSDDNSDDADDOHFW－152I(a)还原脱氯酶脱氯I(b)还原脱氯酶脱氯化氢II氧化酶DDT由于分子中特定位置上的氯原子而难于降解。因此，在微生物还原脱氯酶作用下，脱氯和脱氯化氢成为DDT降解的主演途径。如图，DDT变为DDE及DDD是其最通常的降解产物。DDE极其稳定。DDD还可通过上面提及的途径，形成一系列脱氯型化合物。另外，又可由微生物氧化酶作用使DDT和DDD羟基化第六十二页第六十三页，共112页。七、氮和硫的微生物转化1、氮的微生物转化氮的形态，元素、有机、无机转化过程：同化、氨化、硝化、反硝化及固氮同化氨化硝化反硝化固氮论述题：地球氮循环第六十三页第六十四页，共112页。同化：绿色植物和微生物吸收硝态氮和氨态氮，组成机体中蛋白质、核酸等含氮有机物质的过程。同化氨化硝化反硝化固氮back第六十四页第六十五页，共112页。氨化：生物残体中的有机氮化物，经微生物分解成氨态氮的过程。同化氨化硝化反硝化固氮back第六十五页第六十六页，共112页。硝化：氨在有氧条件下通过微生物作用，氧化成硝酸盐的过程。2NH3＋3O22H＋＋2NO2-＋2H2O＋能量2NO2-＋O22NO3-＋能量自养型细菌，但是要求在有机质存在条件下活动。亚硝化单胞菌属硝化杆菌属同化氨化硝化反硝化固氮back第六十六页第六十七页，共112页。硝化菌对环境条件呈现高度敏感性：严格要求高水平的氧；需要中性及微碱性条件，当pH=9.5以上时硝化细菌受到抑制，而在pH＝6.0以下时亚硝化细菌被抑制；最适宜温度为30℃，低于5或高于40时便不能活动。硝化意义：植物摄取氮的最为普遍形态是硝酸盐。水稻等植物可利用氨态氮，然而这一氮形态对其它植物是有毒的。当肥料以铵盐或氨形态施入土壤时，上述微生物将他们转变成一般植物可利用的硝态氮。同化氨化硝化反硝化固氮back第六十七页第六十八页，共112页。反硝化：硝酸盐在通气不良条件下，通过微生物作用而还原的过程。有三种情形：Ⅰ.包括真菌和放线菌在内的多种微生物，能将硝酸盐还原为亚硝酸。HNO3+2H→HNO2+H2OⅡ.兼性厌氧假单胞菌属、色杆菌属等能使硝酸盐还原成氮气或一氧化二氮。N2↑(逸至大气)2HNO32HNO22HNO↑2H-H2O

N2O↑(逸至大气)Ⅲ.梭状芽孢杆菌等常将硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨，直接发生同化作用。HNO3HNO2HNONH(OH)2NH2OHNH32H-H2O2H-H2O

H2O2H-H2O2H-H2O4H-2H2O4H-2H2O2H-2H2O

-H2O同化氨化硝化反硝化固氮back第六十八页第六十九页，共112页。厌氧条件，环境氧分压越低，反硝化越强，微厌氧条件，有丰富的有机质作为碳源和能源。反硝化意义：过程中形成的氮气、一氧化二氮等气态无机氮的情况是造成土壤氮素损失、土肥力下降的重要原因之一。但在污水处理工程中却常增设反硝化装置，使气态无机氮逸出，以防止出水硝酸盐含量高而在排入水体后引起水体富营养化。同化氨化硝化反硝化固氮back第六十九页第七十页，共112页。固氮：通过微生物的作用把分子氮转化为氨的过程。此时，氮不释放到环境中，而是继续在机体内进行转化，合成氨基酸，组成自身蛋白质等。固氮必须在固氮酶催化下进行，其总反应方程式表示为：3{CH2O}+N2+3H2O+4H+→3CO2+4NH4+根瘤菌厌气的梭状芽孢杆菌属蓝细菌过量的无机氮经反硝化经地表或地下水进入水体，造成不少水体富营养化和硝酸盐污染；地表高水平碳酸盐经反硝化产生的过剩氧化二氮，使一些环境科学家担心其上升到同温层，可能会引起大气臭气臭氧层的耗损。同化氨化硝化反硝化固氮back第七十页第七十一页，共112页。N循环中的关键反应（1）固氮作用与胺同化作用（a）生物固氮作用（固氮细菌<根瘤菌>和蓝绿藻）2N2+10H2O

4NH4＋+4OH-+3O2（b）非生物固氮作用N2(g)+O2(g)

2NO(g)CH4(g)+2O2(g)+2NO(g)

2NO2(g)+CH2O(g)+H2ONO(g)+·OH+M

HNO2+MNO2(g)+·OH+M

HNO3+M上述过程主要通过闪电和高温打破氮的分子键,在森林火灾和火山喷发中也会发生上述过程。第七十一页第七十二页，共112页。（c）人为氮肥的生产和化石燃烧，是工业革命以来最具活力的固氮者。但是1/3未被植物利用，严重干扰氮的生物地球化学循环，水体富营养化、臭氧层破坏。（d）胺同化作用海洋生态系统106CO2+64H2O+16NH3+H3PO4+hv

C106H179O68N16P+106O2陆地生态系统830CO2+600H2O+9NH3+H3PO4+hv

C830H1230O604N9P+830O2第七十二页第七十三页，共112页。（2）硝化与反硝化作用（a）硝化作用2NH4++3O2(g)

2NO2-+4H++2H2O亚硝化细菌2NO2-+O2(g)

2NO3-硝化细菌（b）副作用2NO2-+2H+

NO(g)+NO2(g)+H2O2NO2-+2H+

N2O(g)+O2(g)+H2O（c）反硝化作用4NO3-+5{CH2O}+4H+

5CO2(g)+2N2(g)+7H2O2NO3-+2{CH2O}+2H+

2CO2(g)+2N2O(g)+3H2O某些场合5S+6NO3-+2CO32-

5SO42-+2CO2+3N2第七十三页第七十四页，共112页。

（3）硝酸还原与氨的同化和挥发（a）硝酸还原NO3-+H2O+2H+

NH4++2O2(g)（b）氨的同化生成氨基酸和蛋白质（c）氨的挥发NH4++OH-

H2O+NH3(g)气态氨大部分经干湿沉降回到水和土壤,有一小部分参与大气中的氧化还原反应。第七十四页第七十五页，共112页。（4）降解:氨化作用CH2NH2COOH+2/3O2

2CO2+NH3硝胺形成过程（a）微生物作用NO3-+2H+

NO2-+H2O该反应一般发生在pH=4-7条件下（b）在胃的条件下（pH=1-3）下，亚硝酸盐进一步转化为亚硝酰：NO2-+2H+

NO++H2O（c）亚硝酰与二级胺反应，形成亚硝胺NO++2R-NH-R"

R-N-R"N=O致毒机理第七十五页第七十六页，共112页。2、硫的微生物转化（1）有机硫在好氧条件下转化为SO42－；在厌氧条件下转化为H2S，CH3SH。HS-CH2-CH-COOHCH3-C-COOH+H2SO4+NH4+NH2O好氧细菌HS-CH2-CH-COOHCH3-C-COOH+H2S+NH3NH2O厌氧细菌第七十六页第七十七页，共112页。2、硫的微生物转化（2）硫化：H2S→S→SO42－增加硫营养元素、消除环境中硫化氢危害2H2S+O2→2H2O+2S硫杆菌硫磺菌2S＋3O2＋2H2O→2H2SO4均可以经过硫代硫酸钠氧化至硫酸盐Na2S2O3+2O2+H2O→Na2SO4+H2SO4第七十七页第七十八页，共112页。2、硫的微生物转化（3）反硫化：在厌氧条件下SO42-转化为H2S海洋硫化氢主要来源C6H12O6＋3H2SO4→6CO2+6H2O+3H2S脱硫弧菌2CH3CH(OH)COOH+H2SO4→2CH3COOH+H2S+2H2O+2CO2乳酸第七十八页第七十九页，共112页。八重金属元素的微生物转化1、汞元素汞无机汞有机汞甲基汞——水俣病甲基化作用：在好氧或厌氧条件下，水体地质中某些微生物能使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程，称汞的甲基化。甲基钴氨蛋氨酸转移酶，辅酶为甲基钴氨素：含钴的一种咕啉衍生物。第七十九页第八十页，共112页。CH3Co3+Bz甲基钴氨素简式甲基钴氨素结构式四个氢化吡咯组成咕啉六个配体咕啉环上四个氢咕啉D环支链上二甲基苯并咪唑的一个氮原子和一个负甲基离子第八十页第八十一页，共112页。Hg2+或CH3Hg+CH3Hg+或(CH3)2HgH2OCH3Co3+BzBzBzCo3+Co+OTHF四氢叶酸N5-CH3-THFN5-甲基四氢叶酸HHFADH2FADH2O2H＋汞的生物甲基化途径第八十一页第八十二页，共112页。汞的生物去甲基化汞的迁移转化①汞能够以0价存在于气、水、土中，因为其具有很高的电离势②汞及其化合物均易挥发有机汞>无机汞甲基汞和苯基汞挥发性最大；无机汞以HgI最大，HgS最小。第八十二页第八十三页，共112页。水沉积物空气CH3Hg+鱼(CH3)2HgHgCH4C2H6CH3Hg+HgHg2++HgHg22+(CH3)2Hg细菌细菌细菌细菌汞的迁移转化循环第八十三页第八十四页，共112页。砷的部分化学形态第八十四页第八十五页，共112页。①无机亚砷酸盐和砷酸盐Inorganicarseniteandarsenate虽然砷酸盐在热力学上更稳定，但无论是在厌氧环境还是在好氧环境中，只要存在合适的微生物，AsO43-和AsO33-之间很容易发生相互转化AsO43-和AsO33-是大多数水和沉积物/土壤样品中发现的主要砷形态二者已经在海洋动物和藻类体内发现，但通常不是主要形态②胂和甲基胂-Arsineandmethylarsines胂（AsH3）、单甲基胂（AsMeH2）、二甲基胂（AsMe2H）和三甲基胂（AsMe3）可在自然条件下产生在BritishColumbia地区的温泉气体和藻类覆盖物中检出-Hirneret.al.,1998在填埋场气体和废水处理厂中也检出了这些挥发性砷化合物–Cai,Y,et.al.,2003砷的几种主要形态第八十五页第八十六页，共112页。③甲基胂酸和二甲基胂酸

Methylarsonicacidanddimethylarsinicacid

chanllenger在1945年的Chem.Rev.第一次提到无机砷可以被真菌甲基化它们浓度很低，但可以存在于所有环境相中。④三甲基氧化胂和四甲基砷离子

Trimethylarsineoxideandtetramethylarsoniumion(TMAO)TMAO可能是MMA和DMA形成过程中的代谢产物，环境中没有后二者存在广泛，可能被氧化成了胂。现在，分析方法的不足限制了TMAO的测定砷的几种主要形态第八十六页第八十七页，共112页。⑤砷甜菜碱和砷胆碱-ArsenobetaineandarsenocholineEdmonds等人于1977年首次在水生生物体内发现砷甜菜碱砷甜菜碱是目前为止发现的海洋动物体内最主要的砷形态。在海水和藻细胞中尚未发现砷甜菜碱，而海洋动物体内的砷主要以此种形态存在。水生生物体内也发现了砷胆碱，但浓度要低于砷甜菜碱。陆生生物体内也可以检出砷胆碱，并且在某些物种体内还可能是主要形式。⑥砷糖-ArsenosugarsEdmonds和Francesconi首次在海洋生物体内发现了砷糖常见的砷糖结构式有四种？？？？？砷糖类化合物可以存在于海洋藻类和动物、淡水藻类和植物以及陆生生物体中（如蚯蚓、真菌、植物）。砷的几种主要形态第八十七页第八十八页，共112页。砷形态之间的转化过程砷形态之间的相互转化及其迁移过程是砷生物地球化学循环的两个关键环节砷的形态转化主要包括以下几个过程氧化/还原甲基化/去甲基化砷糖合成砷甜菜碱合成第八十八页第八十九页，共112页。砷-形态转化之氧化/还原环境中两种最主要的砷氧化态为+3价（AsШ）和+5价（AsV）。两种价态砷之间的相互转化既包括化学过程，也包括微生物的作用。单纯测定系统的氧化还原电位并不能确定氧化还原对中氧化态与还原态的比例。经常能观察到AsШ存在于富氧环境中，而AsV存在于缺氧环境中，这就表明AsШ/AsV处于非平衡态，这种非平衡态与氧化还原电位的其他指标有关（如溶解氧）。第八十九页第九十页，共112页。砷-形态转化之甲基化/去甲基化甲基化是指在砷上连接甲基基团，这是一种生物学过程微生物作用下：在细菌，真菌，藻类作用下已得到广泛研究；环境条件：好氧，厌氧条件均可；最终产物：无机砷或者各种挥发性的胂类（AsH3；CH3AsH2；(CH3)2AsH；(CH3)3As）；在哺乳动物体内：研究对象：人体内砷的转化。步骤：五价砷到三价砷的双电子还原；三价砷上引入甲基基团的氧化加成过程；第九十页第九十一页，共112页。砷-形态转化之砷糖合成已经在海洋藻类细胞中广泛发现砷糖，但目前仍然不是完全清楚藻类为什么从海水中吸收砷酸盐然后转化为砷糖。砷糖合成的途径Edmonds和Francesconi在Challengers的砷微生物甲基化模型的基础上提出了砷糖合成的一种途径。过程包括还原和氧化性甲基化；依次合成产物甲基胂酸、二甲基胂酸、氧化甲基胂根据实验数据的支持，研究者还提出了其它一些砷糖合成的途径，但需要更深入的研究才能评估哪种途径对于初级生产者是可行的第九十一页第九十二页，共112页。砷-形态转化之砷甜菜碱合成砷甜菜碱是海洋动物体内的主要砷形态砷甜菜碱的合成过程现在还不是很清楚考虑到砷沿食物链传递的可能性，藻细胞中的砷糖有可能被转化为动物体内的主要砷形态-砷甜菜碱借助现代分析技术的进展，新的砷形态和中间代谢产物有可能被鉴定，这将有助于更好地理解砷的转化过程第九十二页第九十三页，共112页。Fe2＋

Fe0Fe2＋铁细菌Fe3＋Fe3＋有机铁有的铁细菌是自养菌，如氧化亚铁硫杆菌。铁细菌作用致使管道阻塞；使酸性矿水形成。酸性矿水的形成：黄铁矿在铁细菌作用下形成FePbSx、FeAsSx共沉淀，发生以下反应：2FeS2＋2H2O＋7O2→4H＋＋4SO42－＋2Fe2＋

4Fe2＋＋O2＋4H＋→4Fe3＋＋2H2OFeS2＋14Fe3＋＋8H2O→15Fe2＋＋2SO42－＋16H＋以上反应联合构成一个由铁细菌发挥重大作用的溶解黄铁矿的循环过程，生成大量硫酸，加剧了矿水的酸化，有时能使pH值下降至0.5。4、铁酸性矿水形成的原因第九十三页第九十四页，共112页。1、酶促反应的速率A、米氏方程E+SESE+P式中：S——底物；E——酶；ES——复合物；P——产物；k1、k2、k3——相应单元反应速率常数。则ES形成与分解的速率微分方程为：d[ES]/dt=k1{[E]0-[ES]}·[S]-d[ES]/dt=k2·

[ES]+k3·[ES]如果酶促反应体系处于动态平衡，则：k1{[E]0-[ES]}·[S]=k2·[ES]+k3·

[ES]，令Km=(k2+k3)/k1，得[ES]=[E]0[S]/{Km+[S]}如果酶促反应的速率（v）为：v=k3[ES]=k3[E]0[S]/{Km+[S]}，当[ES]=[E]0时，酶促反应达到最大速率(vmax)，vmax=k3[ES]=k3[E]0,

米氏方程：v=vmax[S]/{Km+[S]}Km为米氏系数

九、污染物质的生物转化速率k1k2k3第九十四页第九十五页，共112页。将米氏方程转化为线性方程：1/v=(Km/vmax)×(1/[S])+1/vmax速率v＝1/2vmax时，Km＝[s]，即Km值是在酶促反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度，其单位与底物浓度的单位相同；Km值越大，达到最大反应速度一半所需要的底物浓度越大，说明酶对底物的催化能力越小，反之，Km值越小，说明酶与底物的催化能力越大。这就依次显露出Km值的物理意义和酶学意义。vmaxv[S]0[S]<<[Km]时，v=vmax[S]/Km，呈现动力学一级反应特征，这是米氏方程的第一阶段情况[S]>>[Km]时，v=vmax，呈现零级动力学反应特征，这是米氏方程的第三阶段情况[S]与Km差不多时，酶促反应处于零级和一级反应之间，这是米氏方程的第二阶段情况。第九十五页第九十六页，共112页。vB、影响酶促反应速率的因素最适pHv最适温度温度影响：随着温度上升，酶反应速率明显增加，直至最高点，以后随着酶的热致变性速率随之增大，使酶反应速率显著减小。酶反映速率达到最高点的温度，称为酶的最适温度。在最适温度前每提高10℃，酶反应速率增加1-2倍；各种酶的最适温度常在35-50℃区间。pH的影响：各种酶的最适pH一般在5-8范围内第九十六页第九十七页，共112页。抑制剂的影响抑制剂：能减小或消除酶活性，而使酶的反应速率变慢或停止的物质。不可逆抑制剂：以比较牢固的共价键同酶结合，不能用渗析、超滤等物理方法来恢复酶活性的抑制剂。

可逆抑制剂：同酶的结合处于可逆平衡状态，可用渗析法除去而恢复酶活性的物质，包括竞争性抑制和非竞争性抑制。第九十七页第九十八页，共112页。竞争抑制的酶促反应机理如下：E＋SESE＋P＋I

Ki，2Ki，1EI竞争抑制的1/v表达式为：Ki＝ki，2/ki,1,即EI离解常数与米氏方程1/v=(Km/v